JP5964080B2 - 出力平滑化装置、出力平滑化方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置、出力平滑化方法及びプログラムに関する。

近年、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを用いた発電装置の電力系統への大量導入が進んでいる。自然エネルギーを用いた発電は、クリーンであるというメリットがある。

しかし、自然エネルギーを用いた発電は不安定であり、急激に発電電力が増減するため、電力系統への外乱を大量導入することになるというデメリットもある。そのため、電力系統の周波数、電圧等を制御・維持している電力会社にとっては好ましくない状況になりつつある。
この問題の解決手段として、電力系統と発電装置とに接続される二次電池を設け、当該二次電池への充放電を行うことで、電力系統へ出力する電力の変動を緩和することが提案されている。

ところで、二次電池により出力電力を制御する場合、インバータなどの電力変換装置の動作により二次電池の充放電をすることで少なからず電力のロスが発生する。これを解消する技術として、特許文献１には、電力系統に出力する電力の変化量が十分に小さい場合に二次電池の充放電を行わないことで、充放電ロスを小さくする技術が開示されている。

特開２００８−２５９３５７号公報

ところで、二次電池により出力電力を制御する場合、二次電池の安全性及び寿命を確保するため、過充電及び過放電を防ぐ必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、二次電池の充電率に基づく制御を行っていないため、充電率の運用範囲を超えて出力がなされてしまい、二次電池を劣化させるおそれがある。他方、特許文献１に記載の技術において、充電率の運用範囲を超える場合に二次電池の充放電を行わないよう制御する場合、充放電を停止したときに電力系統の電力の変化量が過大となるおそれがある。

本発明の目的は、電力系統に出力する電力の変化量を所定の範囲内に抑え、かつ二次電池の過充電及び過放電を抑える出力平滑化装置、出力平滑化方法及びプログラムを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置であって、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力を平滑化した電力を算出する平滑化電力算出部と、一定時間の間に前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充電された電力から、当該一定時間の間に前記二次電池から放電された電力を減算した電力に基づいて、動作周期あたりの平均充放電電力を算出する充放電電力算出部と、前記充放電電力算出部が算出した平均充放電電力と前記平滑化電力算出部が算出した電力とを加算した電力に、所定の定めに対して許容される電力の変化量を配分した許容変化量を加減算することで、前記電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値を算出する閾値電力算出部と、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の上限値より大きい場合に、前記発電電力と当該上限値の差の電力を前記二次電池に充電し、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の下限値より小さい場合に、前記発電電力と当該下限値の差の電力を前記二次電池から放電させる充放電制御部とを備えることを特徴とする。

また、本発明においては、前記所定の重みは、単位時間を前記一定時間で除した値であることが好ましい。

また、本発明においては、前記平滑化電力算出部は、前記平滑化した電力として、過去一定時間の間に前記電力系統に出力した電力についての単位時間あたりの平均発電電力を算出することが好ましい。

また、本発明においては、前記平滑化電力算出部は、過去一定時間の間に前記電力系統に出力した電力の高周波成分を除去する一次遅れフィルタを用いて、前記平滑化した電力を算出することが好ましい。

また、本発明においては、前記平滑化電力算出部は、前記平滑化した電力として、過去一定時間の間に前記電力系統に出力した電力の最大値と当該一定時間の間に前記電力系統に出力した電力の最小値との和を２で除した値を算出することが好ましい。

また、本発明は、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置を用いた出力平滑化方法であって、平滑化電力算出部は、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力を平滑化した電力を算出し、充放電電力算出部は、一定時間の間に前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充電された電力から、当該一定時間の間に前記二次電池から放電された電力を減算した電力に基づいて、動作周期あたりの平均充放電電力を算出し、閾値電力算出部は、前記充放電電力算出部が算出した平均充放電電力と前記平滑化電力算出部が算出した電力とを加算した電力に、所定の定めに対して許容される電力の変化量を配分した許容変化量を加減算することで、前記電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値を算出し、充放電制御部は、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の上限値より大きい場合に、前記発電電力と当該上限値の差の電力を前記二次電池に充電し、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の下限値より小さい場合に、前記発電電力と当該下限値の差の電力を前記二次電池から放電させることを特徴とする。

また、本発明は、発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置を、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力を平滑化した電力を算出する平滑化電力算出部、一定時間の間に前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充電された電力から、当該一定時間の間に前記二次電池から放電された電力を減算した電力に基づいて、動作周期あたりの平均充放電電力を算出する充放電電力算出部、前記充放電電力算出部が算出した平均充放電電力と前記平滑化電力算出部が算出した電力とを加算した電力に、所定の定めに対して許容される電力の変化量を配分した許容変化量を加減算することで、前記電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値を算出する閾値電力算出部、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の上限値より大きい場合に、前記発電電力と当該上限値の差の電力を前記二次電池に充電し、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の下限値より小さい場合に、前記発電電力と当該下限値の差の電力を前記二次電池から放電させる充放電制御部として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、過去に二次電池に充電された電力が大きい場合に、電力系統に出力可能な電力の上限値が大きくなる。また、過去に二次電池から放電された電力が大きい場合に、電力系統に出力可能な電力の下限値が小さくなる。そのため、二次電池に充電された電力が大きいほど、二次電池を放電する機会が増え、二次電池から放電した電力が大きいほど、二次電池を充電する機会が増える。これにより、電力系統に出力する電力の変化量を所定の範囲内に抑え、かつ二次電池の過充電及び過放電を抑えることができる。

本発明の一実施形態による出力平滑化装置を備える発電システムの構成を示す概略ブロック図である。 本発明の一実施形態による出力平滑化装置の動作を示すフローチャートである。 発電装置による発電電力、電力系統に出力する電力、及び二次電池の充電率の推移の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による出力平滑化装置１４０を備える発電システムの構成を示す概略ブロック図である。
発電システムは、発電装置１１０、電力変換装置１２０、二次電池１３０、出力平滑化装置１４０を備える。

発電装置１１０は、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを用いて発電を行う。また、発電装置１１０は、電力系統に接続され、電力変換装置１２０及び電力系統に発電した電力を供給する。
電力変換装置１２０は、電力系統に接続され、二次電池１３０が充放電する直流電力を交流電力に変換する。
二次電池１３０は、電力変換装置１２０が直流電力に変換した電力を充放電する。
出力平滑化装置１４０は、発電装置１１０の発電電力、二次電池１３０の充電率、及び過去に電力系統に出力した電力に基づいて二次電池１３０の充放電を制御することで、電力系統に出力する電力を平滑化する。

次に、出力平滑化装置１４０の構成について説明する。
出力平滑化装置１４０は、発電電力計測部１４１、発電電力記憶部１４２、平滑化電力算出部１４３、充放電電力記録部１４４、充放電電力記憶部１４５、平均充放電電力算出部１４６（充放電電力算出部）、閾値電力算出部１４７、充放電制御部１４８を備える。

発電電力計測部１４１は、発電装置１１０が発電した電力を計測する。
発電電力記憶部１４２は、発電電力計測部１４１が電力を計測した時刻に関連付けて、発電装置１１０が発電した電力を記憶する。
平滑化電力算出部１４３は、発電電力記憶部１４２が記憶する過去一定時間（例えば、１分）の間に発電装置１１０によって発電された電力を平滑化した電力を算出する。本実施形態では、平滑化電力算出部１４３は、過去一定時間の間に発電装置１１０が発電した電力について、出力平滑化装置１４０の動作周期（例えば、１００ミリ秒）毎に平均発電電力を算出することで、平滑化した電力を算出する。

充放電電力記録部１４４は、充放電制御部１４８によって二次電池１３０に充放電された電力を、充放電電力記憶部１４５に記録する。
充放電電力記憶部１４５は、二次電池１３０に充放電された電力を、充放電電力記録部１４４によって当該電力が記録された時刻に関連付けて記憶する。
平均充放電電力算出部１４６は、充放電電力記憶部１４５が記憶する過去一定時間の間に二次電池１３０に充放電された電力についての出力平滑化装置１４０の動作周期あたりの平均充放電電力を算出する。なお、過去一定時間の間の充電電力より過去一定時間の間の放電電力が小さい場合、平均充放電電力は正数となり、過去一定時間の間の充電電力より過去一定時間の間の放電電力が大きい場合、平均充放電電力は負数となる。

閾値電力算出部１４７は、平滑化電力算出部１４３が算出した平均発電電力と、平均充放電電力算出部１４６が算出した平均充放電電力とを加算することで、発電装置１１０の出力と電力変換機１２０の出力の総和として、電力系統に出力される電力の目標値である目標出力電力を算出する。そして、閾値電力算出部１４７は、目標出力電力に所定の許容変化量を加算することで、電力系統に出力可能な電力の上限値を算出する。また、閾値電力算出部１４７は、目標出力電力から所定の許容変化量を減算することで、電力系統に出力可能な電力の下限値を算出する。なお、電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値の算出に用いる許容変化量は、電力系統を管理する会社、国家等が定めたガイドライン、法規に対して、シミュレーション等で許容されると判断した電力の変化量を上限値と下限値に配分したものである（例えば、２分の１ずつ配分）。
充放電制御部１４８は、発電電力計測部１４１が計測した発電電力と閾値電力算出部１４７が算出した電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値に基づいて、二次電池１３０の充放電を制御する。

次に、本実施形態による出力平滑化装置１４０の動作について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による出力平滑化装置１４０の動作を示すフローチャートである。
まず、出力平滑化装置１４０の発電電力計測部１４１は、発電装置１１０が発電した電力を計測する（ステップＳ１）。このとき、発電電力計測部１４１は、計測した発電電力を発電電力記憶部１４２に記録する（ステップＳ２）。次に、平滑化電力算出部１４３は、発電電力記憶部１４２が記憶する発電電力に基づいて、現在時刻から一定時間の間に発電装置１１０によって発電された電力を平滑化した電力である平均発電電力を算出する（ステップＳ３）。

平均発電電力の具体的な算出方法は、以下の通りである。まず平滑化電力算出部１４３は、発電電力記憶部１４２が記憶する出力電力のうち、現在時刻から一定時間以内の時刻に関連付けられたものを読み出す。次に、平滑化電力算出部１４３は、読み出した電力の総和を読み出した数で除算することで、平均発電電力を算出する。なお、発電電力記憶部１４２から読み出した発電電力の数は、一定時間を出力平滑化装置１４０の動作周期で除算して得られる数、すなわち一定時間の間に発電電力計測部１４１が発電電力のサンプリングを行った回数と等しい。

次に、平均充放電電力算出部１４６は、充放電電力記憶部１４５が記憶する充放電電力に基づいて、現在時刻から一定時間の間に二次電池１３０に充放電した電力の動作周期あたりの平均充放電電力を算出する（ステップＳ４）。

平均充放電電力の具体的な算出方法は、以下の通りである。まず平均充放電電力算出部１４６は、充放電電力記憶部１４５が記憶する充放電電力のうち、現在時刻から一定時間以内の時刻に関連付けられたものを読み出す。次に、平均充放電電力算出部１４６は、読み出した電力のうち二次電池１３０に充電した電力と、二次電池１３０から放電した電力のそれぞれの総和を算出する。次に、平均充放電電力算出部１４６は、充電電力の総和から放電電力の総和を減算する。そして、平均充放電電力算出部１４６は、充電電力から放電電力を減算した電力を、読み出した数で除算することで、平均充放電電力を算出する。なお、充放電電力記憶部１４５から読み出した充放電電力の数は、一定時間を出力平滑化装置１４０の動作周期で除算して得られる数、すなわち一定時間の間に充放電制御部１４８が充放電の制御を行った回数と等しい。

次に、閾値電力算出部１４７は、平滑化電力算出部１４３が算出した平均発電電力に平均充放電電力を加算することで、目標出力電力を算出する（ステップＳ５）。そして、閾値電力算出部１４７は、目標出力電力に所定の許容変化量を加算することで、電力系統に出力可能な電力の上限値を算出し、目標出力電力から所定の許容変化量を減算することで、電力系統に出力可能な電力の下限値を算出する（ステップＳ６）。

次に、充放電制御部１４８は、発電電力計測部１４１が計測した発電電力が、閾値電力算出部１４７が算出した上限値を超えるか否かを判定する（ステップＳ７）。
充放電制御部１４８は、発電電力が上限値を超えると判定した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、発電電力から上限値を減じて得られる電力を算出し、当該電力を二次電池１３０に充電するよう電力変換装置１２０を制御する（ステップＳ８）。

他方、充放電制御部１４８は、発電電力が上限値以下であると判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、発電電力計測部１４１が計測した発電電力が、電力算出部が算出した下限値未満であるか否かを判定する（ステップＳ９）。
充放電制御部１４８は、発電電力が下限値未満であると判定した場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、下限値から発電電力を減じて得られる電力を算出し、当該電力を二次電池１３０から放電させるよう電力変換装置１２０を制御する（ステップＳ１０）。

他方、充放電制御部１４８は、発電電力が下限値以上であると判定した場合（ステップＳ９：ＮＯ）、充放電制御部１４８は、二次電池１３０の充放電を行わない（ステップＳ１１）。
そして、ステップＳ８またはステップＳ１０で二次電池１３０の充放電の制御をした場合、またはステップＳ１１により充放電を行わなかった場合、充放電電力記録部１４４は、充放電制御部１４８によって二次電池１３０に充放電された電力を、充放電電力記憶部１４５に記録する（ステップＳ１２）。なお、充放電電力記録部１４４は、二次電池１３０の充放電が行われなかった場合にも、充放電された電力が０であることを、充放電電力記憶部１４５に記録する。
以降、出力平滑化装置１４０の動作周期毎に上述した処理を実行する。

図３は、発電装置１１０による発電電力、電力系統に出力する電力、及び二次電池１３０の充電率の推移の例を示す図である。
図３（Ａ）に示すように、発電電力が大きく上がったときなど、充電電力量が多くなると、目標出力電力が徐々に高い値となる。これにより、電力系統に出力可能な電力の上限値も上がるため、二次電池１３０に充電される電力は徐々に小さくなる。これにより、図３（Ｂ）に示すように、目標出力電力として平均発電電力を用いた場合（すなわち平均充放電電力を加算しなかった場合）と比較して、充電率の変動を小さくすることができる。したがって、本実施形態による出力平滑化装置１４０によれば、二次電池１３０を制御目標値に近い充電率で運用することができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施形態では、平滑化電力算出部１４３が、平均発電電力を算出することで、平滑化した電力を算出する場合を説明したが、これに限られない。例えば、平滑化電力算出部１４３は、一次遅れフィルタによって、過去一定時間の間に電力系統に出力した電力の高周波成分を除去することで、平滑化した電力を算出するようにしても良い。また、例えば、平滑化電力算出部１４３は、過去一定時間の間に電力系統に出力した電力の最大値と、一定時間の間に電力系統に出力した電力の最小値との和を２で除した値を算出することで、平滑化した電力を算出するようにしても良い。

また、本実施形態では、閾値電力算出部１４７が、平均発電電力に平均充放電電力を加算することで、目標出力電力を算出する場合を説明したが、これに限られない。例えば、平均充放電電力の代わりに、一定時間の間に二次電池１３０に充電された電力から一定時間の間に二次電池１３０から放電された電力を減じた電力に所定の重みを乗じた電力を用いて目標出力電力を算出するようにしても良い。なお、平均充放電電力とは、一定時間の間に二次電池１３０に充電された電力から一定時間の間に二次電池１３０から放電された電力を減じた電力に、動作周期を一定時間で除した値の重みを乗じた電力と等価である。

上述の出力平滑化装置１４０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１１０…発電装置 １２０…電力変換装置 １３０…二次電池 １４０…出力平滑化装置 １４１…発電電力計測部 １４２…発電電力記憶部 １４３…平滑化電力算出部 １４４…充放電電力記録部 １４５…充放電電力記憶部 １４６…平均充放電電力算出部 １４７…閾値電力算出部 １４８…充放電制御部

Claims (6)

1. 発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置であって、
   過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力を平滑化した電力を算出する平滑化電力算出部と、
   一定時間の間に前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充電された電力から、当該一定時間の間に前記二次電池から放電された電力を減算した電力に基づいて、動作周期あたりの平均充放電電力を算出する充放電電力算出部と、
   前記充放電電力算出部が算出した平均充放電電力と前記平滑化電力算出部が算出した電力とを加算した電力に、所定の定めに対して許容される電力の変化量を配分した許容変化量を加減算することで、前記電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値を算出する閾値電力算出部と、
   前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の上限値より大きい場合に、前記発電電力と当該上限値の差の電力を前記二次電池に充電し、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の下限値より小さい場合に、前記発電電力と当該下限値の差の電力を前記二次電池から放電させる充放電制御部と
   を備えることを特徴とする出力平滑化装置。
2. 前記平滑化電力算出部は、前記平滑化した電力として、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力についての単位時間あたりの平均値を算出することを特徴とする請求項１に記載の出力平滑化装置。
3. 前記平滑化電力算出部は、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力の高周波成分を除去する一次遅れフィルタを用いて、前記平滑化した電力を算出することを特徴とする請求項１に記載の出力平滑化装置。
4. 前記平滑化電力算出部は、前記平滑化した電力として、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力の最大値と当該一定時間の間に前記電力系統に出力した電力の最小値との和を２で除した値を算出することを特徴とする請求項１に記載の出力平滑化装置。
5. 発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置を用いた出力平滑化方法であって、
   平滑化電力算出部は、過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力を平滑化した電力を算出し、
   充放電電力算出部は、一定時間の間に前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充電された電力から、当該一定時間の間に前記二次電池から放電された電力を減算した電力に基づいて、動作周期あたりの平均充放電電力を算出し、
   閾値電力算出部は、前記充放電電力算出部が算出した平均充放電電力と前記平滑化電力算出部が算出した電力とを加算した電力に、所定の定めに対して許容される電力の変化量を配分した許容変化量を加減算することで、前記電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値を算出し、
   充放電制御部は、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の上限値より大きい場合に、前記発電電力と当該上限値の差の電力を前記二次電池に充電し、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の下限値より小さい場合に、前記発電電力と当該下限値の差の電力を前記二次電池から放電させる
   ことを特徴とする出力平滑化方法。
6. 発電装置が発電した電力を平滑化して電力系統に出力させる出力平滑化装置を、
   過去一定時間の間に前記発電装置によって発電された電力を平滑化した電力を算出する平滑化電力算出部、
   一定時間の間に前記発電装置及び電力系統に接続される二次電池に充電された電力から、当該一定時間の間に前記二次電池から放電された電力を減算した電力に基づいて、動作周期あたりの平均充放電電力を算出する充放電電力算出部、
   前記充放電電力算出部が算出した平均充放電電力と前記平滑化電力算出部が算出した電力とを加算した電力に、所定の定めに対して許容される電力の変化量を配分した許容変化量を加減算することで、前記電力系統に出力可能な電力の上限値及び下限値を算出する閾値電力算出部、
   前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の上限値より大きい場合に、前記発電電力と当該上限値の差の電力を前記二次電池に充電し、前記発電装置の発電電力が、前記閾値電力算出部が算出した電力の下限値より小さい場合に、前記発電電力と当該下限値の差の電力を前記二次電池から放電させる充放電制御部
   として機能させるためのプログラム。

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